基于場所人數(shù)檢測的照明節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：利用三星公司ARM9內(nèi)核S3C2440芯片為控制器，實(shí)現(xiàn)了一種智能節(jié)能技術(shù)，完成了在不采用傳感器條件下的公共場所人數(shù)的智能檢測，并根據(jù)得到的人數(shù)實(shí)現(xiàn)公共場所照明燈開關(guān)的智能控制，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約電能的目的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)計(jì)算，預(yù)計(jì)可節(jié)電35％左右。系統(tǒng)充分利用了ARM9強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和Windows CE 5．0良好的實(shí)時(shí)性。整個(gè)系統(tǒng)具有性價(jià)比高、可維護(hù)性強(qiáng)、工作穩(wěn)定的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：ARM9；S3C2440；智能檢測；節(jié)能

引言
    目前許多公共場所的照明用電處于粗放式的管理狀態(tài)，這種管理存在著較大的缺陷，從而造成電能的大量浪費(fèi)。這種現(xiàn)象與國家創(chuàng)建節(jié)約型社會的號召相違背，所以迫切需要合適的控制系統(tǒng)對這些公共場所進(jìn)行管理?，F(xiàn)在普遍采用的節(jié)能系統(tǒng)有松下智能照明節(jié)能控制系統(tǒng)和美國仁斯利爾大學(xué)開發(fā)的節(jié)能控制系統(tǒng)。前者采用熱線傳感器和計(jì)算機(jī)控制，后者采用日光轉(zhuǎn)換器控制。這些設(shè)備不僅操作復(fù)雜，而且增加整個(gè)系統(tǒng)的成本。針對以上問題設(shè)計(jì)了一種新型的公共場所的節(jié)能控制系統(tǒng)，采用基于ARM9內(nèi)核的S3C2440芯片和USB攝像頭，在Windows CE操作系統(tǒng)下進(jìn)行程序開發(fā)，使整個(gè)系統(tǒng)除具有一般的控制照明燈開關(guān)的功能之外，還能較準(zhǔn)確地檢測公共場所人的數(shù)目，具有成本低、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及主要算法
1．1 設(shè)計(jì)思路及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)主要是針對目前教室等公共場所的節(jié)能需求研究開發(fā)的，依據(jù)動態(tài)濾波、顏色匹配和歸一化等相關(guān)圖像視頻處理技術(shù)以及基于ARM9微處理器的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)。系統(tǒng)工作流程如下：
    第一步，初始化系統(tǒng)，即進(jìn)行一系列的人機(jī)交互工作，獲取公共場所無人時(shí)的圖像并采取一定的圖像處理技術(shù)對圖像進(jìn)行處理。
    第二步，當(dāng)公共場所的照明燈被打開，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)就進(jìn)入工作狀態(tài)。系統(tǒng)獲取教室的實(shí)時(shí)圖像并進(jìn)行一定的處理，然后采取一定的算法將圖像與模板進(jìn)行圖形計(jì)算從而得到人。由于初始化時(shí)依據(jù)邊緣檢測的方法將整個(gè)圖像進(jìn)行了分割，那么也就可以大致得出公共場所各個(gè)區(qū)域人的密度。
    第三步，系統(tǒng)依據(jù)所得出的人的數(shù)目從GPIO接口傳出開關(guān)燈的脈沖信號，信號經(jīng)放大后控制照明燈開關(guān)。
當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過設(shè)定系統(tǒng)工作的時(shí)鐘頻率使整個(gè)系統(tǒng)定時(shí)獲取公共場所的實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行開關(guān)燈操作。系統(tǒng)工作框圖如圖1所示。

    基于模塊化的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)系統(tǒng)工作流程可將系統(tǒng)分為以下4個(gè)部分：模板圖像的制作、公共場所實(shí)時(shí)圖像的采集、圖形計(jì)算和智能開關(guān)控制。這4個(gè)部分既保持相互獨(dú)立又通過一定的方式連接起來，這不僅使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性得到提高，也使整個(gè)系統(tǒng)具有層次性和擴(kuò)展性。[!--empirenews.page--]
1．2 S3C2440芯片開發(fā)
    (1)WinCE條件下USB設(shè)備的開發(fā)
    由于本系統(tǒng)運(yùn)用USB接口來進(jìn)行圖像的采集，所以要對Windows CE下的USB設(shè)備驅(qū)動進(jìn)行開發(fā)。在Windows CE系統(tǒng)下對USB設(shè)備進(jìn)行開發(fā)需要運(yùn)用系統(tǒng)本身提供的流接口驅(qū)動模型，它能夠?yàn)樵O(shè)備驅(qū)動的開發(fā)提供通用的接口函數(shù)，系統(tǒng)將會對設(shè)備進(jìn)行編號，這樣就可以在程序中直接打開設(shè)備并且對其進(jìn)行操作。本系統(tǒng)的USB攝像頭驅(qū)動的設(shè)計(jì)采用了4個(gè)流接口函數(shù)：CAM_Init、CAM_Open、CAM_IOControl、CAM_Close，完成獲取注冊表中驅(qū)動、初始化系統(tǒng)、處理用戶命令、釋放分配資源的功能。
    (2)GPIO接口的開發(fā)
    GPIO接口的控制首先需要設(shè)置GPXCON寄存器為輸出功能，然后再通過設(shè)置GPXDAT寄存器的值為0或1來控制GPIO口的低或高電平。在S3C 2440中提供了4個(gè)LED燈，它們分別由GPB5到GPB84個(gè)GPIO口來控制，用戶可以通過觀察LED燈的不同狀態(tài)來了解信號的輸出。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)驅(qū)動程序，首先要建立流驅(qū)動所必需的文件并設(shè)定設(shè)備名，其次要將代碼對信號的輸出和控制初始化，最后以條件語句表示設(shè)備出現(xiàn)的各種情況，并運(yùn)行主程序。
1．3 主要算法及設(shè)計(jì)
    針對公共場所顏色較為單一，且在HSV顏色空間里H、S、V值分布比較明顯的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用對圖像進(jìn)行處理的方法來獲取公共場所的人數(shù)。
    將模板彩色圖像進(jìn)行銳化操作并調(diào)節(jié)圖像亮度，隨后將此RGB圖像進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換，這樣就可以分別得到每一點(diǎn)的H、S、V值，并利用圖像上各個(gè)點(diǎn)的H、S、V值來進(jìn)行下一步的計(jì)算，此時(shí)將公共場所依照外輪廓劃分成9個(gè)區(qū)域。由于物體對背景的遮擋效果，圖像被遮住部分將擁有與模板圖像對應(yīng)位置不同的H、S、V值。采用循環(huán)對比的方法，將兩幅圖像上對應(yīng)點(diǎn)的H、S、V值進(jìn)行比較，如果兩者值之差在規(guī)定的誤差范圍之內(nèi)，那么將此像素跳過，當(dāng)兩點(diǎn)H、S、V值相差較大時(shí)，標(biāo)記這些像素。然后將圖像進(jìn)行二值化處理，即標(biāo)記的像素的值為1，沒有標(biāo)記的像素的值為0，再通過形態(tài)學(xué)濾波方法(如腐蝕、膨脹)，最終過濾掉多余的雜點(diǎn)得到單一目標(biāo)的分布區(qū)域。計(jì)算出目標(biāo)面積在每個(gè)劃分區(qū)域的百分比，由給出的公共場所的最大容量得出總?cè)藬?shù)，確定開燈數(shù)目所占總數(shù)目的比值。
    設(shè)si為在第i區(qū)域圖像中對象的面積，si為圖像中第i區(qū)域的總面積，n為第i區(qū)域的最大容量，N為所求總?cè)藬?shù)，a為需要開的照明燈個(gè)數(shù)，A為照明燈總個(gè)數(shù)，根據(jù)上文即可得以下算式：
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2 實(shí)例
    本系統(tǒng)適用于較為寬敞的公共場所，如教室、大型會議室、圖書館等。寬敞的環(huán)境一方面為攝像頭提供較為開闊的視野，另一方面可以使光照分布更為均勻，減少光照對圖像的影響。此實(shí)例是系統(tǒng)在不同大小教室環(huán)境下的應(yīng)用，主要是對教室的照明燈進(jìn)行控制以及測定教室內(nèi)的人數(shù)，從而驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性及準(zhǔn)確性。
    系統(tǒng)在教室的應(yīng)用，其主要步驟如下：
    首先，初始化系統(tǒng)。在人機(jī)互動步驟中輸入此場所的類型及場所的最大容量。這時(shí)系統(tǒng)會自動采集此時(shí)的教室圖像并對其進(jìn)行處理。需要注意的是，此時(shí)要保證教室無人，這樣才能確保系統(tǒng)計(jì)算的準(zhǔn)確性。這時(shí)可得模板圖像，即圖2(a)，然后將教室劃分為9個(gè)區(qū)域，如圖2(b)所示。
    其次，獲取實(shí)時(shí)圖像，計(jì)算人數(shù)。當(dāng)有人打開照明燈時(shí)，電信號通過S3C2440的外部中斷接口激活系統(tǒng)使其開始工作。這時(shí)系統(tǒng)將定時(shí)采集教室內(nèi)的實(shí)時(shí)圖片，并將所采集的圖片進(jìn)行形態(tài)學(xué)的處理，如圖2(c)所示，與模板進(jìn)行圖形計(jì)算得出人數(shù)以及開燈的數(shù)目。

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    最后，控制照明燈開關(guān)。通過系統(tǒng)得出的教室人數(shù)輸出脈沖信號，信號經(jīng)放大后控制教室開關(guān)。得到需要開燈的個(gè)數(shù)之后，將照明燈按規(guī)劃依次打開，這時(shí)系統(tǒng)會根據(jù)燈是否開啟的狀態(tài)，依據(jù)一定的時(shí)鐘頻率獲取教室實(shí)時(shí)圖像。當(dāng)然，當(dāng)教室照明燈被人為關(guān)閉或系統(tǒng)連續(xù)3次檢測無人后，系統(tǒng)將進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。
    系統(tǒng)運(yùn)行后得出不同情況下教室的總?cè)藬?shù)及教室的開燈數(shù)目。表1給出了系統(tǒng)運(yùn)行后得到的各種情況下教室的參數(shù)值，從而得出教室的大小以及教室人數(shù)的多少對系統(tǒng)的準(zhǔn)確性的影響。從所得誤差可知，雖然圖像在處理時(shí)采用了腐蝕、膨脹等方法，但是還是無法消除書包等物品對系統(tǒng)計(jì)算的影響，使整個(gè)系統(tǒng)測得的人數(shù)偏多。系統(tǒng)基于人性化的設(shè)計(jì)，使得開燈數(shù)的比例稍大于測得人數(shù)與教室的最大容量之比，一方面可以滿足國家建筑照明用電的照度標(biāo)準(zhǔn)，另一方面人們會有更多的工作空間。

    由表1測得的數(shù)據(jù)可知，教室的大小和人數(shù)的多少對實(shí)驗(yàn)誤差會產(chǎn)生一定的影響。教室越大，人數(shù)測定的誤差就越??；教室越小，所測人數(shù)誤差就越大；教室人數(shù)越多，誤差越小(人數(shù)越多，因書本和書包等物體遮擋的面積對總面積的影響越小)。雖然在小教室測定人數(shù)的誤差較大，但誤差均為正值，這會使更多的座位達(dá)到滿足工作所需照度的標(biāo)準(zhǔn)，也使工作者能夠選擇更加合適的座位。整個(gè)系統(tǒng)具有人性化的優(yōu)點(diǎn)。
    經(jīng)調(diào)查本校教室的照明燈每天平均開啟14～15小時(shí)，計(jì)算得每間小教室耗電大約為18 kWh／天。通過對本校兩間小教室人流量的記錄以及對教室的開燈情況的統(tǒng)計(jì)，假設(shè)運(yùn)用此系統(tǒng)后，上課、自習(xí)時(shí)間與部分課余時(shí)間分別為8小時(shí)、4小時(shí)與2小時(shí)，計(jì)算可得每天節(jié)約電能可達(dá)35％。以標(biāo)準(zhǔn)教室為例，每天可節(jié)約3．25元，10個(gè)月大約可節(jié)省資金975元，而此系統(tǒng)價(jià)格較低，成本僅為450～500元，半年就可收回成本。教育部統(tǒng)計(jì)，在全國范圍內(nèi)全國約有15萬所中小學(xué)和1550多所高校以及大量的圖書館、會議室等。假設(shè)有一部分場所采用此系統(tǒng)，那
么將節(jié)約大量的電能，而產(chǎn)生一度電需要300～400 g煤，從而間接減少二氧化碳的排放。

3 結(jié)論
    本系統(tǒng)采用基于ARM9微處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使節(jié)能系統(tǒng)能夠本地控制，可維護(hù)性及穩(wěn)定性較計(jì)算機(jī)控制都有所提高。本系統(tǒng)不使用傳感器，單純地對圖像進(jìn)行處理并得出人數(shù)，大大節(jié)約了系統(tǒng)成本。測試結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的對比驗(yàn)證了本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，為系統(tǒng)的推廣打下基礎(chǔ)。該方法基于顏色空間、顏色匹配等圖像處理技術(shù)，算法簡單，大大縮短了系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)間。由于本系統(tǒng)具有良好的節(jié)能特性和較低的成本等優(yōu)點(diǎn)，所以其推廣對節(jié)能環(huán)保工作的開展有較大的意義。